2.1 대상 지역 및 강우 시나리오

본 연구의 대상 지역은 도림천 상류 유역의 서울대학교 관악캠퍼스로 지리적 위치는 Fig. 1(a)와 같이 서울특별시 관악구에 위치한다. 관악캠퍼스는 1970년대 건설되었으며, 도림천과 봉천천 유역의 상류인 관악산 중턱에 위치하여 집중호우로 인한 피해 발생 가능성이 크며, 실제로 2011년 7월과 2022년 8월에 내린 집중호우로 인하여 건물 및 도로가 파손되는 등 많은 경제적 피해가 발생하였다. Fig. 1(b)의 관악캠퍼스 지도를 살펴보면, 지도의 서쪽으로는 도림천 상류가 지나며 학교는 A부터 K까지 총 11개의 구역으로 나눌 수 있다. 이 중 기숙사 건물을 포함하고 있는 J와 K 구역은 봉천천으로 향하는 유역이고, 이를 제외한 A부터 I까지 9개의 생활권 구역은 도림천으로 향하는 유역이다^{(Park, 2015)}. 본 연구는 관악캠퍼스 내 강우시 도림천으로 흐르는 유역인 관악산 일부와 교내 생활권(A부터 I 구역) 구역과 관악구에 위치한 관악산 유역을 대상 지역으로 선정하여 총 265.5 ha 면적에 대하여 연구를 진행하였다. Fig. 1(c)는 최종 연구 유역에 해당하는 지역에 대한 토양도를 나타낸다.

연구에 사용된 강우 사상(event)은 관악[509] 방재기상관측소의 1997년부터 2021년까지의 시계열 자료 중 최대 일강우량인 2011년 7월 27일 강우(348.5 mm)를 포함하는 2011년 7월 26일부터 2011년 7월 29일까지 총 4일의 강우 사상으로 설정하였다. 해당 기간에는 총 501 mm 호우가 내렸고, 연구에 사용한 96시간의 시강우량과 기온 시계열 자료를 Fig. 2에 나타냈다.

Fig. 1. Maps of Study Area: (a) Gwanak-Gu, (b) Seoul National University Gwanak Campus, (c) Soil Texture

Fig. 2. Precipitation and Temperature Time Series Data of Gwanak Automatic Weather Station (2011/07/26-29)

2.2 SWMM 모형

본 연구에서는 Storm Water Management Model (SWMM)을 사용하여 우수관거 용량 증대와 LID 기법 적용에 따른 유출량 변화를 모의하였다. SWMM은 미국 환경보호청(U.S. Environmental Protection Agency, USEPA)에서 개발한 도시유출해석모형으로, 도시유역에 적용하기 적합하며 강우 사상에 따른 유출, 우수 및 하수관거, 배제 시설에 대한 계획, 분석 및 설계를 위하여 광범위하게 사용된다^{(Lewis and Michelle, 2022)}. SWMM 모형은 강수, 기온 등과 같은 기상학적 인자와 유역의 물리적, 수문학적 특성 인자를 입력변수로 사용하며, 유역 정보는 관망 입력을 위한 우수관망도(1:2500), 고도 및 유역 경사 입력을 위한 수치지형도(1:5000), 불투수율 입력에 필요한 세분류 토지피복지도 등의 자료를 사용하여 얻을 수 있다^{(Kim and Kim, 2022)}.

SWMM 모형을 통해 구축한 대상지역의 유역도를 Fig. 3에 나타내었다. 모형 내 소유역은 총 193개로 구성되었고 우수관거 교체와 옥상녹화 설치에 따른 결과 분석에 용이하도록 분할하였다. 관망은 서울대학교에서 제공받은 우수관망도에 연결되어 있는 모든 관망들을 반영하였다. 서울대 내 설치되어 있는 4개의 저류조 중 두 개의 저류조(버들골 20,000 m3, 공대폭포 5,000 m3)는 2011년 8월 서울대학교에 발생한 집중호우로 인한 침수 피해 이후에 추가 설치된 시설이며, 제공받은 우수관망도면 상에는 존재하지 않으나 관련 보고서와 담당자의 정보에 기반하여 모형에 반영하였다. 모형의 매개변수들은 동일한 유역을 44개의 소유역으로 분류하고, ^Park(2015) 모의 결과를 참조하여 표면유출량, 침투량을 확인하고 모형을 검증한 ^{Kim and Kim(2022)}의 연구를 통해 선정한 SWMM 모형 매개변수를 활용하였다. 본 연구의 SWMM 모형 구성과 매개변수를 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3. Study Watershed Delineated in the SWMM Model: (a) Building and Road, (b) Sewer Enlargement System

2.3 홍수 대응 정책 선정

홍수 피해 저감을 위한 대응 정책에는 홍수 예·경보 인프라 확충, 침수예방 수자원시설 설치, 댐 하천 설계기준 강화 등 다양한 방안들이 있다. 이러한 정책 중 연구 지역인 관악캠퍼스 유역의 특성과 과거 홍수 피해 형태를 고려하여 연구에 적용할 정책들을 선정하였다. 관악캠퍼스 중 관악산을 제외한 토지는 학교 건물과 도로가 대다수를 차지하고 있어 불투수율이 높다. 또한, 유역 내 대용량 저류조 시설이 이미 존재하고 있어 추가적인 수자원 시설을 설치하는 계획을 수립하긴 어렵다. 다음으로, 산 중턱에 위치하고 있는 대상 유역의 피해 형태를 살펴보면, 강이 범람하는 외수 침수가 아닌 우수관거 배수능 부족에 의한 내수 침수가 주로 발생하였다. 따라서, 본 연구에 적용할 홍수 대응 정책은 LID 기법으로 불투수율을 낮추기 위한 투수성 포장과 옥상 면적이 큰 교육시설에 적용하기 적합한 옥상녹화 설치 방안을 선정하고, 내수 침수를 해결하기 위한 우수관거 용량 확대 방안을 포함한 총 3가지 정책을 선정하였다.

3가지 정책의 적용 시나리오의 반영은 해당 유역 내 설치 가능 면적대비 적용 비율을 임의로 가정하여 LID 기법의 경우 투수성 포장은 전체 도로 면적의 50%와 100% 적용, 그리고 옥상녹화는 건물 면적의 50%, 100% 적용을 가정하였다. LID 기법의 파라미터는 Table 2로 정리하였으며, 선행연구를 참고하여 설정하였다^{(Kourtis et al., 2020)}. 우수관거 용량 확대 방안은 정책 미반영인 기준 시나리오(S1)의 시뮬레이션 결과를 분석한 후 우수관거 용량이 초과된 관거를 선정 후 관거 지름을 증량하는 방안을 선정하여 정책을 이행한 경우를 100%로 가정하였다. 정책 미반영인 S1 시나리오를 포함하여 3가지 정책에 대한 경우의 수를 조합한 총 18가지의 시나리오들의 정책 이행 비율은 Table 3로 정리하였다. 각 대응 정책들의 효과를 분석하기 위해, LID 기법(투수성 포장 도로, 옥상녹화)을 조합한 정책 시나리오(S1~S9)는 유역의 물순환 변화(증발량, 침투량 및 지표면 유출량 변화)와 첨두유량 결과를 비교하고, LID 기법과 우수관거 확대 정책을 추가로 적용한 정책 시나리오(S10~S18)는 유역 밖으로 흐르는 유출량 변화를 비교하였다. 마지막으로, 모든 정책의 월류량 결과와 비용을 확인하였다.

2.4 정책 비용 계산

본 연구에서 홍수 대응 정책으로 선정한 LID 기법(투수성 포장 도로와 옥상 녹화 방안)과 우수관거 교체에 대한 비용은 선행 연구와 문헌들을 참고하였다. 선행연구들을 참고하여 각 정책별 비용이 산정되기 때문에, 대등한 비교를 위하여 동일한 연도의 가치로 변환하여야 한다. 이를 위해 소비자 물가 지수(Consumer Price Index, CPI)를 사용한 Eq. (1)을 이용하여^{(Alves et al., 2019; Kourtis et al., 2020)} 현재가치로 변환하였다.

정책 비용 중 유지관리비용의 경우, 미래 시점에서 비용이 발생하게 된다. 미래 시점의 가치를 현재 시점의 가치로 비용을 환산하기 위한 방법으로 현재가치환산법을 적용하였다. 현재가치환산법은 미래의 특정 시점에서 발생하는 비용의 경우 Eq. (2)로 계산하는 현재가치환산계수(Present Worth Factor; PWF)를 해당 비용에 곱하고, 매년 동일하게 발생하는 비용의 경우 Eq. (3)으로 계산하는 연등가액현재가치환산계수(Present Worth of Anuity Factor; PWAF)를 해당 비용에 곱하여 현재가치로 환산하는 방법이다^{(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008)}.

여기서 $i$는 할인율, Eq. (2)의 $n$은 현재 시점으로부터 미래의 비용 발생 시점까지의 기간, 그리고 Eq. (3)의 $n$은 적용 년수를 나타낸다.

투수성 포장 도로 기법의 비용은 ^{Jung et al.(2014)}와 ^{Baek et al.(2018)}의 연구를 참고하였다. ^{Jung et al.(2014)}는 단지 내 투수성포장, 블록 포장 등 도로 포장별 선정기준을 제안하기 위하여 포장공법별 생애주기비용 분석을 실시하였다. 포장 도로의 분석기간은 30년, 교체주기는 5년 혹은 10년으로 설정하였고, LH의 설계 및 견적팀에서 제시한 재료비 및 시공비를 바탕으로 투수 아스콘 포장의 설계비를 포함한 직접비 비용을 계산하여 초기공사비(7,091,972원/100 m²), 덧씌우기(건설공사비의 70%인 4,964,380원/100 m²), 유지관리비(건설공사비의 2%인 141,893원/ 100 m²)로 분석하였다. ^{Baek et al.(2018)}은 송산그린시티 동측 주거단지 친환경시범마을을 대상으로 투수성 포장 도로를 포함한 LID 기법 적용에 비용편익 분석을 실시하여, 도로면적 6000 m²에 적용할 투수성 포장 도로의 비용을 교체 주기 10년, 비용편익 분석 기간 40년을 설정하고 초기 공사비용(70,912원/m²), 덧씌우기(62,671원/m²), 유지관리비용(2,672원/m²)으로 산정하였다.

옥상 녹화 기법의 비용은 ^{Yeo and Jung(2013)} 연구를 참고하여 비교적 넓은 지역을 대상으로 한 옥상녹화 비용을 계산하였다. ^{Yeo and Jung(2013)}은 성북천, 정릉천 전체, 월곡천을 포함한 청계천 전체 면적을 대상으로 옥상녹화 조성을 위한 비용 산정 연구를 실시하여, 64건의 시공사례로 옥상녹화 조경면적과 사업비 관계에 대한 회귀식을 Eq. (4)와 같이 제안하였다.

여기서 $C_{GR}$ (원)는 설계비와 시공비를 포함한 옥상녹화 총사업비(공사비)이고, $A_{GR}$ (m²)은 옥상녹화 면적을 의미한다. 식재관리와 구조물 안전을 위한 옥상녹화 유지관리비용은 설치비용 대비 2.727%으로 설정하였다.

마지막으로, 우수관거 확대 비용은 환경부 자료를 참고하였다. 공사비와 설계비를 포함한 사업비는 ^{Ministry of Environment (2018a)}의 하수도 분야 보조금 편성 및 집행관리 실무요령에서 제시하고 있는 하수관로정비사업을 참고하였다. 하수관로 공사비는 m당 표준하수관로 시설비를 적용한 자료를 참고하여 콘크리트관 관경별 포장구간 비용으로 선정하였고, 설계비를 포함하기 위하여 시설부대비용을 더하였다. 유지관리비용의 경우, ^{Ministry of Environment(2018b)}의 하수도 계획 시 소규모하수처리시설 설치 적정성(경제성 평가 중심)평가에 관한 연구 (제2차)를 참고하여, 13-15년도에 진행된 5개 지자체의 하수관로정비 임대형 민자사업의 운영비용 자료 중 유지관리비를 관로길이로 나누어 적용하였다.

3.1 LID 기법 정책에 따른 물순환 특성 변동

LID 기법 정책에 따른 연구 결과는 Fig. 4로 나타냈다. 첫 번째로 증발량과 침투량의 결과를 살펴보면, 증발량은 옥상 녹화 정책을 100% 실시한 S3 시나리오에서 기준 시나리오 대비 10.64% 증가하여 가장 큰 증가폭이 나타났으며, 투수성 포장 정책을 실시한 S4와 S7 시나리오에서는 각각 0.37%와 0.85% 감소하였다. 옥상 녹화 정책의 경우, 지표면유출량의 일부가 관거로 유입되기 전 옥상녹화 면적 위에서 머무르는 지체 시간이 증가하게 되어 증발량이 증가하였다. 침투량의 경우, 증발량과 반대로 S7 시나리오에서 가장 많이 증가하여 기준 시나리오 대비 11.01% 증가하였고, S3 시나리오에서는 0.02% 감소하였다. 증발량은 옥상녹화의 영향에 따른 변화량이 가장 컸던 반면에, 침투량은 투수성 포장 도로 정책에 따른 가장 크게 나타났다. 투수성 포장 도로는 불투수율을 낮춰 침투량을 높이는 목적의 LID 정책이므로 침투량 변화에 가장 큰 영향을 주었으나, 옥상녹화의 경우 식생을 위한 저류량이 필요하여 정책을 반영할 시 침투량이 오히려 감소함을 확인하였다. 또한, 연구 유역에서 증발량에 비해 침투량 변화가 더욱 크게 나타났다. 이는 유역의 토양도인 Fig. 1(c)에서 확인할 수 있듯이, 유역의 토성이 입자크기가 크고 침투율이 커 배수가 원활한 수문학적 토양 특성을 가지고 있기 때문에 불투수율 변화가 큰 효과를 나타내는 것으로 사료된다.

지표면유출량의 경우, 두 가지 LID 정책이 모두 100% 반영된 S9에서 23.88%로 가장 많이 감소하였고, 이후 첨두유출량과 동일한 순서로 S6, S8 시나리오에서 각각 21.17%와 16.67% 만큼 감소하였다. LID 정책을 모두 50% 적용한 S5 시나리오와 비교해보면, 지표면유출량은 투수성 포장 정책을 100% 시행으로 증가시킨 S8 시나리오의 경우 S5 대비 2.94% 감소하였고, 옥상 녹화 정책 비율을 100% 시행으로 증가시킨 S6 시나리오의 경우 S5 대비 7.45% 감소하였다. LID 정책을 모두 시행할 경우, 하나의 정책의 적용 비율을 50%에서 100%으로 증가시키는 경우의 지표면유출량 저감 효과는 첨두유출량과 동일하게 옥상 녹화에서 더욱 크게 나타남을 보여준다. 이를 통해, LID 정책 미시행 기준 시나리오에서 하나의 LID 기법을 적용하는 경우의 효과와 LID 정책 중 하나가 이미 시행된 시나리오에서 추가로 정책 적용 면적을 증가시키는 경우의 효과가 상이하게 나타남을 확인하였다.

첨두유출량은 투수성 포장과 옥상 녹화 정책 모두 100% 반영된 S9 시나리오에서 기준 시나리오 대비 가장 많은 비율인 16.76% 감소하였다. 다음으로는 S9 시나리오에서 투수성 포장 정책을 50%로 감소시킨 S6과, 옥상녹화 정책을 50%로 감소시킨 S8이 순서대로 15.89%와 13.41% 만큼 첨두유출량이 감소하였다. 첨두유출량이 가장 적게 변화한 시나리오는 옥상 녹화 정책이 50% 반영된 S2 시나리오로 첨두유출량이 기준 시나리오 대비 4.38% 감소하였다. 두 가지의 LID 정책 중 하나를 단독으로 시행한 경우, 정책 적용 비율에 관계없이 투수성 포장 도로가 옥상녹화 정책에 비해 첨두유출량을 더 높은 비율로 저감시켰다. 투수성 포장 도로의 경우, 강우량 일부가 즉시 침투되어 유입량이 옥상녹화보다 적다. 또한, 옥상녹화는 저장 시설의 용량에 한계가 있어 저장할 수 있는 양을 넘는 강우가 지속될 때, 저장 시설 내 유량이 유출되는 경우가 발생하게 되어 투수성 토장 도로보다 첨두유출량이 크게 된다. 다음으로, 두 가지 정책이 동시에 적용하여 시행 비율을 증가시킬 때의 결과를 비교하였다. LID 기법 정책을 모두 50% 적용한 S5 시나리오에서 각 정책을 100%로 증가한 경우를 살펴보면, 옥상녹화 정책을 100% 증가시킨 S6 시나리오가 투수성 포장 정책을 100%로 증가시킨 S8 시나리오에 비해 2.48% 더 높은 저감 효과가 나타났다. 정책 비율을 50%에서 100%로 증가시키는 경우, 옥상녹화이 투수성 포장 도로보다 더 큰 효과를 나타낸다. 투수성 포장 정책은 침투량을 증가시키고 유입량을 줄어들게 하여 첨두유출량이 줄어드는 효과가 나타나고, 옥상녹화 정책은 옥상녹화 시설에 설치된 저장 시설에서 유량이 머무르는 지체시간이 증가하게 되기 때문에 첨두유출량이 줄어들게 된다.

도시 침수의 큰 피해 원인인 맨홀에서 역류하는 월류량의 저감 정도를 Table 4에 정리하였다. 월류량은 지표면 유출량과 첨두유출량과 동일하게 두 가지의 LID 기법 정책이 모두 100% 반영된 시나리오에서 기준 시나리오 대비 15.52%로 가장 많이 감소하였다. 두 가지 정책 중 하나를 단독으로 시행한다면, 첨두유출량과 반대로 옥상녹화가 투수성 포장 도로보다 더 많은 양의 월류량을 저감시켰다. 관거 사이에서 역류하게 되는 월류량은 관거로 유입되는 양에 따라 변하게 되는데, 옥상녹화 정책은 저류 시설을 통해 유량을 지체시킴으로써 시간당 유입량을 줄어들게 한다.

Fig. 4. Percent Changes in Evaporation, Infiltration, Surface Runoff and Peak Runoff for LID Measures

3.2 관거 확대 정책에 따른 물순환 특성 변동

SWMM 모델에서 강우가 내린 유역의 유출량은 유역에 설치된 LID 시설을 모두 통과한 이후 관거로 유입된다. 첨두유출량, 지표면유출량, 증발량과 침투량은 모두 관거로 유입되기 이전의 단계에서 발생하는 수문학적 변화로 관거 확대 정책 여부에 관계없이, LID 시설 정용에 의해서 영향을 받는다. 이에 반해, 관거 확대 정책에 따른 효과는 유량이 관거에 유입된 이후 단계에서 나타남으로, 유역 밖으로 배수되는 유출량 결과로 분석하였다. 유역 밖으로 흐른 유출량 결과는 Table 5와 Fig. 5로 정리하였고, 관거 확대 정책 이행 여부에 따른 차이(관거 확대 정책 이외의 정책 조합은 동일한 시나리오간 비교를 의미함, 예를 들어, S10행의 3번째 열은 S1과 S10 결과값의 차이, S18 행의 3번째 열은 S9와 S18 결과값의 차이)를 Table 5에 함께 정리하였다.

유역 외부로 흐른 유출량은 2가지 시나리오에서만 증가하는 결과를 나타냈다(Fig. 5). 우수 관거 확대 정책을 단독으로 시행한 S10에서 1.44% 증가하였고, S10 시나리오에 옥상 녹화를 50% 반영한 S11에서 0.81% 증가하였다. 관거의 직경을 확장한 경우에는 관거를 통해 흐르는 유량이 증가하고 유역 내 배수 시스템의 흐름이 원활하기 때문에 유역 밖으로 흐르는 유출량이 증가하게 된다. 옥상 녹화 시설을 설치한 경우에는 증발량이 증가하지만 전체 유량에 비해 매우 적은 양이며, 초기 토양 포화도로 인한 초기 저장량이 강우량과 더해져 유입량을 증가시키게 되어 유역 밖으로 흐르는 유출량이 증가하게 된다. 유역 외부로 흐른 유출량은 투수성 포장 도로 정책이 적용된 모든 시나리오에서 감소하였고, 가장 많이 감소한 시나리오는 옥상 녹화와 투수성 포장 도로가 모두 100% 시행된 S9 시나리오로 11.34% 감소하였다. 이는 투수성 포장 도로 정책에 의해 유역 내 침투량이 증가하고, 이로 인해 배수 시스템으로 흐르는 유출량이 줄어들어 유역 외부로 흐르는 유출량 또한 줄어들게 되기 때문이다.

우수관거 확대 정책을 적용한 홍수 저감 효과로 맨홀에서의 저감된 월류량을 Fig. 5에 나타냈다. 월류량이 가장 많이 저감된 시나리오는 모든 정책을 최대로 적용한 S18로 기준 시나리오 대비 28.45% 감소하였다. 감소된 비율은 S15, S12, S17의 순서로 관거 교체 정책을 포함한 시나리오들에서 월류량 저감 효과가 높게 나타났다. LID 기법 효과와 비교하면, 옥상녹화와 투수성 포장 도로 정책을 모두 100% 반영한 S9 시나리오를 제외한 나머지 시나리오들은 모두 우수관거 확대 정책 반영 시나리오보다 월류량이 많이 발생하였다. 우수관거 확대 정책 전후의 월류량과 유역 외부로 흐른 유출량이 거의 동일하였다. 이는 LID 기법만 적용하였을 때 맨홀에서 월류했던 월류량이 우수관거 확대 정책을 시행하며 유역 외부로 배수된 결과를 보여 준 것이다. 이는 우수관거 확대 정책이 유역 내 도시 침수 저감에 효과적임을 보여주는 동시에 유역 밖으로 흐른 유출량은 하류 하천의 범람 위험을 증가시킬 수도 있다는 점을 시사하며, 홍수 대응 정책을 단일화하여 적용할 때 발생할 수 있는 문제점을 보여준다.

Fig. 5. Percent Changes in External Outflow and Flooding Loss at Node of the System

3.3 홍수 대응 정책 경제적 분석

3.3.2 비용 대비 월류량 저감 분석

홍수 대응 정책의 비용 대비 월류량 저감 효과를 Fig. 6으로 살펴보면, S18 시나리오는 홍수 피해 저감 효과는 가장 좋으나, 모든 정책이 100% 시행된 만큼 비용 또한 가장 크게 나타났다. 우수관거 확대 정책만을 시행한 S10 시나리오는 비용 대비 홍수 피해 저감에 가장 좋은 효과를 보였다. LID 기법은 정책을 적용할 때 도로와 건물 면적의 50%, 100% 비율로 임의로 설정하였으나, 우수관거 확대의 경우 시뮬레이션을 통해 기존 관거 중 용량이 초과하는 일부 관거만을 교체하였기 때문에, 효율적인 적용을 이행한 효과로 인해 LID 기법에 비해 비용이 적게 산정된 측면이 있다.

그래프의 세로축 아래 방향으로 적용 비용이 적어지고, 가로축 오른쪽 방향으로 갈수록 홍수 저감 효과가 크므로, 그래프의 오른쪽 하단에 가까울수록 홍수 대응 정책의 이상적인 대안으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 6의 빨간 점선 안에 있는 4가지 정책 시나리오들이 두 가지 측면을 모두 고려한 측면에서 상대적으로 우수한 결과를 보여주었다. 이 중에서 오른쪽 하단에 가장 가까운 시나리오는 S16으로 투수성 포장 도로 100%와 우수관거 확대 정책 100%가 시행된 경우이다. S16 시나리오는 비용 대비 월류량 저감 효과는 우수하나, 첨두유출량 및 지표면유출량의 저감 정도가 낮으며, 증발량을 감소시킨다. S16 시나리오 뿐만 아니라, 우수관거 교체 정책만을 시행하는 시나리오(S10)는 가장 적은 비용으로 홍수 저감 효과가 존재하여 비용 대비 효과가 가장 좋은 정책으로 보여질 수 있다. 그러나, 유역 외부로 흐른 유출량이 증가하여 하류에 하천 범랑을 야기시킬 수 있으며, 증발량과 침투량에는 아무런 변화가 없어 건전한 물순환에 효과가 없다.

Fig. 6. Changes in Flooding Loss versus Cost across All Flood Mitigation Scenarios